[论文解读] Main Parameters of LCxFCC Based Electron-Proton Colliders

Yiğit Acar, Ü. Kaya+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 5

一句话总结

本文基于未来环形对撞机（FCC）和直线对撞机（LC），提出多TeV量级电子-质子对撞机，通过优化束流参数，在考虑束流-束流效应的前提下实现高亮度。结果表明，通过适度升级FCC质子束，可实现$ L_{ep} \sim 10^{32}\,\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$的亮度，显著提升超出标准模型的新物理探测能力。

ABSTRACT

Multi-TeV center of mass energy ep colliders based on the Future Circular Collider (FCC) and linear colliders (LC) are proposed and corresponding luminosity values are estimated. Parameters of upgraded versions of the FCC are determined to optimize luminosity of electron-proton collisions keeping beam-beam effects in mind. It is shown that L_{ep}\sim10^{32}\,cm^{-2}s^{-1} can be achieved with moderate upgrade of the FCC parameters.

研究动机与目标

• 确定LC⊗FCC基电子-质子对撞机的最优束流参数，以最大化亮度。
• 评估在束流-束流频移和破坏效应约束下的亮度性能。
• 评估通过适度升级FCC实现高亮度ep对撞的可行性。
• 比较未来ep对撞机方案中ILC与PWFA-LC基设计的性能表现。
• 探索此类对撞机在探测标准模型之外新物理方面的物理潜力。

提出的方法

• 使用亮度公式$L_{ep} = \frac{N_e N_p}{4\pi \max[\sigma_{x_p},\sigma_{x_e}] \max[\sigma_{y_p},\sigma_{y_e}]} \min[f_{c_p}, f_{c_e}]$计算亮度。
• 应用质子的束流-束流频移方程($\xi_{x_p}, \xi_{y_p}$)和电子的破坏参数($D_{x_e}, D_{y_e}$)以约束束流参数。
• 考虑两种直线对撞机方案：ILC与PWFA-LC，其电子束能量和重复频率不同。
• 利用FCC质子束参数和对撞点处匹配的电子束参数进行数值模拟。
• 使用Wei公式评估IBS增长时间，以评估高能电子束的束流稳定性。
• 考虑动态聚焦和能量回收方案作为潜在的亮度增强技术。

实验结果

研究问题

• RQ1 在适度升级FCC质子束的条件下，LC⊗FCC基ep对撞机能否实现$ L_{ep} \sim 10^{32}\,\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$？
• RQ2 束流-束流频移和破坏效应如何限制ep对撞机设计中的亮度？
• RQ3 在多TeV质心系能量下，ILC与PWFA-LC基ep对撞机的最大可实现亮度是多少？
• RQ4 电子束能量如何通过IBS增长时间影响亮度和束流稳定性？
• RQ5 采用动态聚焦或能量回收等先进方案，亮度是否具有进一步提升的潜力？

主要发现

• 通过适度升级FCC质子束参数，可实现$ L_{ep} \sim 10^{32}\,\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$的亮度。
• 对于ILC⊗FCC，当$ E_e = 500\,\text{GeV}$时，$ L_{ep} \sim 10^{32}\,\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$，对应$ \xi_p \approx 5.47 \times 10^{-4} $且$ D_e \approx 0.50 $。
• 对于PWFA-LC⊗FCC，当$ E_e = 5000\,\text{GeV}$时，$ L_{ep} \sim 10^{32}\,\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$，对应$ \xi_p \approx 5.47 \times 10^{-4} $且$ D_e \approx 0.05 $。
• 即使在$ E_e = 5000\,\text{GeV}$时，IBS增长时间仍保持可接受水平，$ L_c = 203.0\,\text{m}$时为18小时，表明束流动力学稳定。
• 当$ D_e = 25 $时，$ L_{ep} \sim 10^{30}\,\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$可实现，对应$ E_e = 5000\,\text{GeV}$且每束$ N_p = 45.8 \times 10^{11} $个质子。
• 动态聚焦可能使亮度提升至$ L_{ep} \sim 10^{33}\,\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$，而ILC基设计中的能量回收技术或可使$ L_{ep} > 10^{34}\,\text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$。